年产10000吨甲基丙烯酸甲酯(MMA)工艺设计毕业设计

安徽工程大学毕业论文设计 年产10000吨甲基丙烯酸甲酯(MMA)工艺设计 摘 要 甲基丙烯酸甲酯(MMA)因其优异的性能和广泛的用途，已成为一种极具市场潜力的化工产品。本文主要介绍了甲基丙烯酸甲酯( MMA) 主要的生产技术和开发进展以及各种工艺的技术经济分析， 并阐述了国内外MMA 的生产能力和需求现状。分析了国内外甲基丙烯酸甲酯市场需求及其发展趋势，介绍了国内甲基丙烯酸甲酯拟建、扩建项目，并就甲基丙烯酸甲醋的产品性质、用途、市场分析、供需情况、消费发展趋势， 以及根据分析结果，给出了一些建议。提出了产业发展中应该注意规避的几个问题。 设计根据既定的工艺路线和工艺条件，采用相关的单元过程及单元操作，设计出优化的工艺流程，并根据工艺条件选择出合适的设备，设计出合理的厂房布局，以满足生产的，并做到技术上可行、符合安全条例、经济上合理，确定最优方案，以达到使其工艺产率增加，能耗降低，降低环境污染的目的。 关键字：甲基丙烯酸甲酯；生产技术；经济分析；市场 Annual output of 10,000 tons of the Methyl methacrylate production process design Abstract Methyl methacrylate (MMA) because of their excellent performance and a wide range of uses， has become a great market potential of chemical products. This pape describes the main methyl methacrylate (MMA) and development of major progress in production technology and technical and economic analysis of various processes and described the MMA production capacity at home and abroad and demand situation. Analysis of domestic and international market demand for methyl methacrylate and trends，presented the proposed country of methyl methacrylate，expansion projects，industrial development is proposed should be paid attention to avoid a few problems. This article also discusses the methyl ester of methacrylic acid nature of the product，use，market analysis，supply and demand，consumer trends and the results of the analysis，gives some suggestions. Industrial development is proposedshould be paid attention to avoid a few problems. Keywords： Methyl methacrylate; Production technical; Economic analysis; Market 目录 5引言 6第1章 绪论 61.1 甲基丙烯酸甲酯概述 61.1.1 甲基丙烯酸甲酯理化性质 91.1.2 甲基丙烯酸甲酯的用途 101.2 甲基丙烯酸甲酯的生产方法 101.2.1 国内外MMA生产方法 181.2.2 甲基丙烯酸甲酯不同生产工艺对比 201.2.3 综合分析 201.2.4 结论 211. 3 甲基丙烯酸甲酯市场状况及发展前景 211.3.1 世界市场 241.3.2 国内市场 281.3.3 甲基丙烯酸甲酯行业发展前景 301.4 研究目的及意义 301.5 课题简介 30第2章 设计生产方法及工艺流程 302.1 ACH法工艺技术特点 312.1.1 反应原理 322.1.2 酯化反应工艺条件 342.1.3 甲基丙烯酸甲酯ACH法生产流程框图 352.2甲基丙烯酸甲酯ACH法生产流程叙述 352.2.1 反应循环 362.2.2 回收及分离 382.2.3 提纯精制系统 40第3章 工艺计算 403.1物料衡算 413. 2 物料衡算表 433.3 热量衡算 433.3.1 混合釜 443.3.2 酰胺反应釜 45第4章 主要设备及管道的选择及计算 454.1 主要设备选择及计算 454.1.1 混合釜 464.1.2 酰胺反应釜 464.1.3 多级酯化釜 474.1.4 其他设备 474. 2 主要物料管道材质选择 474.2.1 98%硫酸、20%发烟硫酸管道 474.2.2 100%硫酸管道 474.2.3 丙酮氰醇管道 484.2.4 MMA管道 484.2.4 高温废酸液输送管道 484.2.5 生产污水管 484.3 结语 49第5章 主反应釜设计 495.1 混合釜设计 495.1.1 已知条件 495.1.2 筒体和夹套的设计 515.1.3　反应釜的附属装置 525. 2 酯化反应釜设计 525.2.1 设备设计条件 525.2.2 筒体和夹套的设计 54第6章 车间布局设计 546.1 车间主要设备 546.2 车间布局设计 556.2.1 厂房的整体布局设计 556.2.2 车间的设备布置设计 55结论和展望 56致 谢 57参考文献 引言 甲基丙烯酸甲酯(简称MMA)是一种重要的有机化工原料，主要作为聚合单体用于生产其聚合物和共聚物，还可通过酯交换用于生产甲基丙烯酸高碳酯。甲基丙烯酸甲酯的主要下游产品聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)-有机玻璃是一种发展较早的重要热塑性塑料，具有极好的透明性、化学稳定性、耐候性等优良特性，广泛用于汽车、建筑、卫生洁具等方面，它可代替玻璃作为不易破碎的建筑材料。PM—MA 高分子材料适用于制造高级光学镜头、高级光学仪器透镜、高容量DVD 碟片片基材料、汽车尾灯灯罩、液晶显示器导光板等产品，具有良好的市场前景。另外，甲基丙烯酸甲酯还用于涂料、乳液树脂、粘合剂、PVC 树脂改性剂、聚合物混凝土、腈纶第二单体、纺织浆料、医药功能材料，离子交换树脂、纸张上光剂、纺织印染助剂、皮革处理剂、润滑油添加剂、原油降凝剂、木材和软木材的浸润剂、电机线圈的浸透剂、绝缘灌注材料和塑料型乳液的增塑剂等，用途十分广泛。 一直以来，甲基丙烯酸甲酯在人们日常生活中有不可或缺的作用，渗透于人们生活中的方方面面。甲基丙烯酸甲酯在药剂中主要用作粘合剂和溶剂。作粘合剂时,常添加适宜的过氧化物使其聚合。此外也用于制备丙烯酸醋树脂以及其他聚合物的单体。 第1章 绪论 1.1 甲基丙烯酸甲酯概述 1.1.1 甲基丙烯酸甲酯理化性质 1、理化性质 国标编号： 32149 　　CAS号：80-62-6 　　中文名称：甲基丙烯酸甲酯 　　英文名称：Methyl methacrylate；Methacrylic acid，methyl ester 　　别 名：异丁烯酸甲酯；牙托水；有机玻璃单体 　　分子式：C5H8O2；CH2C(CH3)COOCH3 外观与性状：无色易挥发液体，并具有强辣味 　　分子量：100.12 蒸汽压：5.33kPa/25℃ 闪点：10℃ 　　熔 点：-50℃ 沸点：101℃ 溶解性：微溶于水，溶于乙醇等 　　密 度：相对密度(水=1)；相对密度(空气=1) 稳定性：稳定 　　用途：主要用作有机玻璃的单体，也用于制其他塑料、涂料等 　　危险标记：7(易燃液体) 主要用途：用作有机玻璃的单体，也用于制造其它树脂、塑料、涂料、粘合剂、润滑剂 　　2.对环境的影响: 　　一、健康危害 　　侵入途径：吸入、食入。 　　健康危害：人对本品气味感觉阈浓度为85mg/m3 ，刺激作用阈浓度(暴露1分钟)为285mg/m3。中毒表现为乏力、恶心、反复呕吐、头痛、头晕、胸闷、伴有短暂的意识消失、中性白细胞增多症。慢性中毒：神经系统受损的综合症状占主要地位，个别可发生中毒性脑病。可引起轻度皮炎和结膜炎。接触时间长可致麻醉作用。 　　二、毒理学资料及环境行为 　　毒性：为麻醉剂，麻醉浓度和致死浓度几乎相同，有弱的刺激作用。 　　急性毒性：LD507872mg/kg(大鼠经口)；LC503750ppm(大鼠吸入)；人吸入725ppm，最小致死浓度；人吸入62ppm×20-90分钟，粘膜刺激；人吸入12.5-25ppm×20～90分钟，头晕，恶心，意识障碍。 　　亚急性和慢性毒性：狗吸入46800ppm×1.5小时/日×8日，绝对致死浓度，肝、肾有损害。 　　致突变性：微粒体致突变：鼠伤寒沙门氏菌34mmol/L。 　　生殖毒性：大鼠吸入最低中毒浓度(TCL0)：109g/kg(孕6～15天用药)，致胚胎毒性，对肌肉骨骼系统有影响。 　　危险特性：遇明火、高热或与氧化剂接触，有引起燃烧爆炸的危险。若遇高热，可能发生聚合反应，出现大量放热现象，引起容器破裂和爆炸事故。其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引着回燃。 　　燃烧(分解)产物：一氧化碳、二氧化碳。 　　3.现场应急监测方法: 　　4.实验室监测方法: 　　气相色谱法《空气中有害物质的测定方法》，杭士平主编 　　羟胺-氯化铁比色法《空气中有害物质的测定方法》，杭士平主编 　　5.环境: 　　前苏联 车间空气中有害物质的最高容许浓度 10 mg/m3 　　前苏联(1975) 居民区大气中有害物最大允许浓度 0.1mg/m3(最大值，昼夜均值) 　　前苏联(1975) 水体中有害有机物的最大允许浓度 0.01mg/L 　　嗅觉阈浓度 0.21ppm 　　6.应急处理处置方法: 　　一、泄漏应急处理 　　切断火源。戴自给式呼吸器，穿一般消防防护服。在确保安全情况下堵漏。喷水雾可减少蒸发。用砂土、蛭石或其它惰性材料吸收，然后运至空旷的地方掩埋、蒸发、或焚烧。或用不燃性分散剂制成的乳液刷洗，经稀释的洗液放入废水系统。如大量泄漏，利用围堤收容，然后收集、转移、回收或无害处理后废弃。 　　二、防护措施 　　呼吸系统防护：空气中浓度较高时，建议佩戴防毒面具。 　　眼睛防护：戴化学安全防护眼镜。 　　防护服：穿防静电工作服。 　　手防护：必要时戴防护手套。 　　其它：工作现场严禁吸烟。工作后，淋浴更衣。注意个人清洁卫生。 　　三、急救措施 　　皮肤接触：脱去污染的衣着，用肥皂水及清水彻底冲洗。 　　眼睛接触：立即翻开上下眼睑，用流动清水冲洗15分钟。就医。 　　吸入：脱离现场至空气新鲜处。呼吸困难时给输氧。呼吸停止时，立即进行人工呼吸。 　　食入：误服者给饮足量温水，催吐，就医。 　　灭火方法：雾状水、泡沫、二氧化碳、干粉、砂土。 　　化工应用：是有机玻璃单体。用于制造其他树脂、塑料、涂料、粘合剂、润滑剂、木材和软木的浸润剂、电机线圈的浸透剂、纸张上光剂、印染助剂和绝缘灌注材料.可作人造石的无缝连接材料。 1.1.2 甲基丙烯酸甲酯的用途 甲基丙烯酸甲酯(简称MMA)是一种重要的有机化工原料，主要作为聚合单体用于生产其聚合物和共聚物，还可通过酯交换用于生产甲基丙烯酸高碳酯。甲基丙烯酸甲酯的主要下游产品聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)-有机玻璃是一种发展较早的重要热塑性塑料，具有极好的透明性、化学稳定性、耐候性等优良特性，广泛用于汽车、建筑、卫生洁具等方面，它可代替玻璃作为不易破碎的建筑材料。PMMA 高分子材料适用于制造高级光学镜头、高级光学仪器透镜、高容量DVD 碟片片基材料、汽车尾灯灯罩、液晶显示器导光板等产品，具有良好的市场前景。另外，甲基丙烯酸甲酯还用于涂料、乳液树脂、粘合剂、PVC 树脂改性剂、聚合物混凝土、腈纶第二单体、纺织浆料、医药功能材料，离子交换树脂、纸张上光剂、纺织印染助剂、皮革处理剂、润滑油添加剂、原油降凝剂、木材和软木材的浸润剂、电机线圈的浸透剂、绝缘灌注材料和塑料型乳液的增塑剂等，用途十分广泛。 甲基丙烯酸甲酯(MMA)的聚合物由于具有良好的透明性和耐候性, 而广泛使用于招牌、显示器、水槽、车辆、低压电器、建筑材料、涂料、光学材料、纸涂层及树脂改性等。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA ) 在交通运输业、建筑业及电子工业中都有广泛应用,而且已逐渐渗透到非透明体的应用中。由于PMMA 具有良好的表面性能(硬度、光泽、手感) , 可以应用到浴缸、窗框、钢笔和牙刷等日常用品中。1993 年Rohm &Hass 公司实现了PMMA 的工业化生产, 在一定程度上取代赛璐珞和苯酚树脂。由于价格和原料方面的问题, 聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等树脂的用量已经远远超过了PMMA。但是利用MMA 有可能设计出具有应用前景的分子结构, 而且可以解聚重新加以作用。所以今后MMA 单体可望有大的需求。 1.2 甲基丙烯酸甲酯的生产方法 1.2.1 国内外MMA生产方法 目前国内外MMA已工业化的生产技术有丙酮氰醇法、乙烯法、异丁烯直接氧化法、甲基丙烯腈法和改进丙酮氰醇法。 一、传统生产技术 1909 年，Roehm与Otta Hass组建了化学品生产公司。1933 年，该公司建成第一套甲基丙烯酸甲酯(MMA)工业化装置。其合成路线是先将丙酮与氰化氢反应生成丙酮氰醇(ACH)，再将ACH 转化成一羟基异丁酸酯，最后用五氯化磷为脱水剂脱水生成甲基丙烯酸甲酯。 1934 年，ICI公司推出一种生产甲基丙烯酸甲酯(MMA)专利，先将ACH 转化为甲基丙烯酰胺硫酸盐，然后再水解、酯化生成甲基丙烯酸酯。这一工艺成为目前ACH 工艺生产MMA 所采用的路线，这一技术路线约占世界MMA 总生产能力的80％。如果生产商有廉价的氢氰酸(HCN)来源。则ACH 工艺是相当经济的。但尽管如此。这种工艺仍存在需处理大量硫酸氢铵副产品问题。每生产1 吨MMA 则产生1.2 吨硫酸氢铵。鉴于该工艺存在的副产品处理问题以及期望避免使用和制取剧毒性HCN，进行了大量的研究工作，旨在开发新的低成本的MMA 生产技术。前10-15 年间，已有大量替代的MMA 生产工艺投入工业化应用，也有一些其他工艺即将投入应用。这些新工艺色彩纷呈，有的采用新的原料，如异丁烯、乙烯甚至甲基乙炔(丙炔)；有的再循环使用HCN或硫酸氢铵。与此同时。现有工艺也继续得到改进和完善。已工业化应用的工艺有： (1)丙酮氰醇(ACH)路线 ACH法是由英国ICI公司最早工业化生产MMA的方法，也是目前世界最主要的MMA生产工艺。该法技术先进、成熟可靠、产品收率高、质量好、竞争力较强，得到广泛应用，目前世界采用ACH法的MMA约占总产量的80%左右。ACH法的不足之处是原料氢氰酸的供应问题，氢氰酸是剧毒物质，建设氢氰酸合成装置受到技术、原料和环保等多个方面条件的限制。氢氰酸其他比较经济的来源是丙烯腈装置的副产，但这将使MMA生产受到丙烯腈装置开工率的影响。 ACH法的另一个欠缺是废液处理问题。与其他工艺相比，ACH法需配套建设价格昂贵的酸性残液处理回收装置，回收硫铵。因此采用ACH法的MMA装置需有具有较大的规模才能保持较强的竞争力。如果副产硫铵能够在当地以较合理的价格销售，会进一步提高其竞争力。 该工艺以丙酮和氢氰酸(或购买ACH)为原料开始，然后进行脱水、水解和酯化。大型装置主要采用这种工艺。但该工艺仍需进一步改进和提高，尤其是改善脱水/水解这一环节。反应式见式(1)： 三菱气体化学公司开发了一种再循环型的ACH 路线。在该路线中，先按常规方法以丙酮和氢氰酸为原料生产ACH，然后将ACH 水解成α一羟基异丁酰胺，α一羟基异丁酰胺再与一氧化碳和甲醇在压力下反应生成甲酰胺和甲基一α一羟基异丁酸酯。甲基一α一羟基异丁酸酯脱水便生成MMA，而联产品甲酰胺可脱水生成HCN，再循环使用。这一工艺称为MGC(R—HNC)路线。反应式见式(2)。日本已建有一套工业化装置。 (2)异丁烯（I-C4法）/叔丁醇氧化（ASAHI法）路线 异丁烯氧化法于1982年由日本三菱人造丝公司（Mitsubishi Rayon Co.Ltd.）首先实现工业化，目前日本共同单体公司（Kyodo Monomer Lnc.）和立邦MMA单体公司（Nihon Methacryl Co.Ltd.）也采用异丁烯法生产MMA，此法在日本所占比例较大，约占其总能力的60%。九十年代韩国乐喜公司（LGMMA Corp.）通过合资形式也获得该技术，建成了5万tPa和5.5万tPa MMA装置。 该工艺技术先进，成熟可靠，原料异丁烯易得，生产过程简单，成本低，具有一定竞争力。日本旭化成公司（Asahi Chemical Industry Co.Ltd.）最近又开发了改进异丁烯氧化技术，1999年1月建成6万tPa基于该工艺的MMA装置。据旭化成公司介绍［］，与原异丁烯法相比，新工艺缩短了流程，将MMA的收率由原来的67%提高到81%，减少了原来MMA生产过程中产生的废物，同时使甲基丙烯酸的回收和净化工作量大大减少。因此新工艺在原料上明显低于传统方法，投资也略低一些。 该工艺包括两步气相氧化异丁烯(或叔丁醇)生成甲苯丙烯酸，然后再酯化生成MMA。远东地区已有工业化生产装置。反应式见式(3)。 现还开发了一种先将异丁烯气相氧化成甲基丙烯醛的新工艺。生成的液态甲基丙烯醛先与甲醇混合，然后以Pd/Pb 为催化剂，用空气在液相中氧化生成甲基丙烯酸，同时酯化生成MMA。这一工艺称为旭化成直接法或旭(D)路线。反应式见式(4)。最近，旭化成公司已在日本将旭(D)工艺投人生产运行，取代了其另一项基于甲基丙烯腈的独特技术。 (3)乙烯羰基化（BASF法）路线 乙烯生产MMA是德国BASF公司开发成功的专利技术，目前世界上仅BASF公司采用此法生产MMA，于1988年建成3.6万tPa生产装置。乙烯法生产MMA工艺包括4个步骤：乙烯经氢甲酰化反应制取丙醛；丙醛和甲醛经缩合反应生产甲基丙烯醛；甲基丙烯醛空气氧化制甲基丙烯酸；甲基丙烯酸经甲醇酯化生成MMA。 工艺的优点是工艺简单，原料易得，具有一定的竞争力，特别是与大型石化乙烯装置联合一体化生产更具优势。但BASF公司从未转让过该技术，也没有建立乙烯法MMA的合资装置。 该路线先对乙烯进行羰基合成(醛化)生成丙醛，再与甲醛缩合生成甲基丙烯醛，然后再氧化、酯化生成MMA。因是首家也是唯一一家使用本路线的公司是巴斯夫公司，故该工艺也称为巴斯夫路线。反应式见式(5)。在德国路德维希港有一家工厂采用巴斯夫路线工业化生产MMA.这一路线的欠缺之处是生产中有中间产物甲基丙烯醛，而甲基丙烯醛的氧化成本很高。 二、新开发的技术 (1)璐彩特国际公司α-MMA 路线 英国甲基丙烯酸甲酯(MMA)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)生产商璐彩特(Lucite)国际公司将第一次采用其Alpha—MMA(α-MMA)新技术在新加坡建设甲基丙烯酸甲酯(MMA)装置，这是该工艺开发10 年后将建设的第一套装置，能力为12 万吨/年，已于2006 年8 月中旬投入建设。定于2008 年初投产。该装置设计采用数据来自完全一体化、连续式的微型装置(由Davy 过程技术公司建造)。该微型装置概念包含了中型装置至工业规模装置的设计详情，而却可按实验室规 模的费用基准操作，典型的放大因子为10000-30000。可代替常规开发路线(设计、建造和运作验证)。该微型装置概念使放大到工业装置的中试时间减少到3年。 璐彩特公司从乙烯、甲醇和CO 生产甲基丙烯酸甲酯(MMA)的一工艺与基于丙酮和氢氰酸或异丁烯的现有技术相比，可减少生产费用40％～45％。一工艺不产生任何废物，而且选择性高。待新加坡这套12 万吨/年MMA 装置建成后，璐彩特公司将计划建设25 万吨/年MMA 装置．为常规装置规模的2 倍以上，初定于2011 年建成。 α-工艺将乙烯进行羰基化和酯化制备甲基丙酸酯(采用钯基均相羰基化催化剂，对甲基丙酸酯的选择性超过99．9％，而无需复杂的分离工序。温度、压力和腐蚀性等工艺条件缓和)，甲基丙酸酯与甲醛在几乎无水的条件下反应生成甲基丙烯酸甲酯(采用长寿命的均相催化剂，甲基丙酸酯的选择性超过96％，甲醛的选择性超过85％)。这一路线的优点是反应中不生成异丁烯醛中间产物。新工艺在缓和条件下操作，有高的产率。该工艺不使用有毒或有腐蚀性的化学品，其维护费用比现有技术要低得多。唯一的废弃产物为水和重质酯类。酯类可用作过程燃料。新技术选用原材料方便，无其他工艺过程的副产物。反应式见式(6)。 在璐彩特公司现有装置中，MMA 用常规的三段法工艺生产，丙酮和氢氰酸组合生成丙酮氰醇。丙酮氰醇再转化成MMA。新工艺与现有工艺相比。有成本上的优势。因为无需依赖丙酮、氢氰酸和异丁烯，并且无需高成本建造材料的酸回收装置。在ICI 专利中考虑了从原料甲醛中除去水、回收未反应甲醛、分离和再循环大量的甲基丙酸酯和甲醇以及提纯MMA 产品和副产品丙酸。 (2)R．TI-Eastman-Bechtel 路线 R．TI (Research Triangle Institute)一Eastman—Bechtel 三步路线先将乙烯进行加氢羰基化生成丙酸，丙酸再与甲醛缩合生成甲基丙烯酸，最后酯化生成MMA。这一路线存在的问题是缩合催化剂寿命有限。该路线缩合反应中甲基丙烯酸的选择性比璐彩特路线中的选择性略低。然而，从整体上而言，R．TI—Eastman—Bechtel 路线所需投资比巴斯夫路线和璐彩特乙烯路线要低。 (3)改进的巴斯夫路线 巴斯夫推出一条将乙烯同时羰基化/酯化生成甲基丙酸酯。再与甲缩醛缩合生成MaMA 的路线。巴斯夫现将这种简化的巴斯夫路线投入应用。该路线中的缩合催化剂寿命尚不清楚，实验室试验表明，新鲜催化剂表现出较高的选择性和高转化率。但回收率较低。假如能找到长寿命的缩合催化剂，则理想的巴斯夫改进路线就能产生良好的经济效益。该路线的优点在于工艺简单。单程转化率高和选择性很高。该路线尚未工业化应用。可能是尚未找到寿命理想的催化剂。 (4)异丁烷氧化路线 该工艺将异丁烷氧化脱氢生成甲基丙烯醛/甲基丙烯酸，与异丁烯选择性氧化相似。已有许多公司对此进行了研究，研究进展最快的是埃尔夫阿托化学和住友化学公司。该工艺具有原材料成本较低的优点。反应式见式(7)。迄今，至少已有三家公司申请了该工艺专利：埃尔夫阿托化学公司、住友化学公司和Roehm 化工公司。 表1 比较了异丁烷氧化工艺和异丁烯氧化工艺的原材料成本。比较表明。前者具有成本节约的潜力。但尽管异丁烷氧化路线很简单。然而即使使用基于铯和钼促进剂的多组分新催化剂。异丁烯单程转化率仍然很低(9％-12％)，对甲基丙烯酸的选择性也在50％左右。 (5)丙炔路线 丙炔羰基化/酯化直接生成MMA 路线由壳牌公司开发。该技术现属于Ineos 公司。该路线工艺简单。但在原材料供应方面有局限性。反应式见式(8)。 (6)MGC 路线 三菱气体化学公司(MGC)开发了一条独特的工业化生产MMA 的路线：HCN 循环利用路线。它可满足HCN 供应不足和废物排放限制的要求。该公司现又开发出一条改进的生产路线，即MGC 路线。该工艺再循环使用的是氨而不是HCN。尽管该工艺的原材料净成本没有太大的降低，但它的设备投资费用低且所需原材料易于获得。 (7)丙烯羰基化路线 丙烯羰基化路线先使丙烯羰基化生成异丁酸，然后脱氢生成甲基丙烯酸，最后酯化生成MMA。反应式见式(9)。尽管该工艺有经济上的竞争优势，但可能因为设备设计较为困难，故尚未引起太大关注。 (8)丙酸酯化路线 伊士曼化学公司成功地开发出使用Nb/SiO2 催化剂的丙酸和甲醇氧化酯化生产甲基丙烯酸甲酯(MMA)-工艺。该工艺的催化剂制备过程为：在36％二氧化硅含水悬浮液中慢慢加入NbF ，然后逐渐加热脱水，把所得固体材料在300℃高温下焙烧4 小时，再在450℃下焙烧6 小时。试验过程为：催化剂装入不锈钢反应器中， 通入氮气保护， 加热至300℃，原料丙酸和甲醇引入预反应器，将反应器中通入氧气．两个多小时后即得到甲基丙烯酸和甲基丙烯酸甲酯。 (9)其他路线 中东现大量生产MTBE 用于出口，但是，美国将禁用MTBE 的趋势将使其寻求MTBE 的替代出路。Nexant 化学系统公司提出了基于异丁烯生产MMA 的联合装置流程，见图1。 图1 MMA-MTBE 联产流程 (MMA 生产作为基于MTBE 的异丁烯联产装置的一部分)日本催化合成公司已提出MTBE 生产MMA 的工艺路线，该流程可组合多种异丁烯利用项目，如丁基橡胶、异戊二烯和MMA。为MTBE 的综合利用将带来重要的技术和贸易发展机遇。 表2 1999年世界MMA工艺路线分别（单位：万t） 1.2.2 甲基丙烯酸甲酯不同生产工艺对比 西方研究机构对上述MMA的工艺路线进行成本对比，以下对其分析过程和结果进行介绍。在美国、海湾地区采用不同工艺路线新建MMA装置，装置规模均选定为4.5万tPa(ACH-L法装置规模选定为13.6tPa)，ACH法和ASAHI法装置包括废酸回收处理部分。 表3 MMA主要生产工艺路线路线成本对比（单位：美分P磅） 原料取价：丙酮586$Pt，硫酸53$Pt，异丁烯604$Pt，氧气49$Pt，乙烯573$Pt，甲醇144$Pt 技术经济比较：Nexant公司对一系列工业化和正在开发的MMA生产路线成本进行分析比较，结果见表4。 表4 各种工艺路线MMA生产费用估算 由表4可见，BASF路线的生产成本较高。除了原料价格和原料成本上的原因以外，另一个主要原因是该路线使用了丙醛缩合生成甲基丙烯醛中间产物，而甲基丙烯醛必须氧化成甲基丙烯酸，这就增加了该路线的复杂性，造成投资增多，公用工程费用增加。在催化剂得到改进后，BASF路线也得以改进。改进后的路线(BASF新路线)中生成的甲基丙酸醋中间产物，而不是丙醛，从而它比丙醛路线节约成本。旭直接氧化路线的原材料成本比BASF路线要低许多。MGC（R-ACH）路线的技术经济性质是一个初浅的概念，该路线公用工程费用高，故经济上并无优势。 1.2.3 综合分析 上述比较表明，在MMA的生产工艺中，异丁烯法、大规模的丙酮氰醇法和乙烯法是生产MMA最具有竞争力的工艺，MGC法生产路线生产成本要高于以上三种工艺的成本，但要优于同等中型丙酮氰醇法工艺。对于丙酮氰醇法来讲，装置规模对产品影响很大。甲基丙烯腈法由于工艺复杂，投资过高而缺乏竞争力。事实上，如前所述旭化成公司已放弃了该工艺，而转向开发改进异丁烯技术。其新的改进异丁烯法1999年才取得产业化成功，尚未完全公开，至今没有咨询机构对其进行评估比较。 我国现有的MMA全部采用ACH法，装置规模小，原材料消耗高、污染重、产品成本高。我国加入世贸组织后，为保证市场竞争力，提高我国MMA整体水平，今后国内新建MMA装置必然会引进国外先进技术，并应具备一定的经济规模。在诸多的MMA生产工艺中，ACH法、异丁烯法、乙烯法是最具有竞争力的工艺。但乙烯法由于国内乙烯产量供不足需，且运输和储存条件苛刻、成本高，同时BASF公司一直对转让乙烯法技术不积极等原因，在我国并不适用。在我国新建MMA装置究竟选择ACH法还是异丁烯法，要根据各地的实际条件，尤其是原料供应，进行选择。异丁烯法装置的原料采用MTBE裂解制得，MTBE是大宗商品，生产工艺简单成熟，国外生产公司较多，产量大、易采购、好运输，在工艺上很容易裂解制得异丁烯，我国燕山石化公司已成功开发MTBE裂解制异丁烯技术，并建成了一套4万tPa高纯异丁烯生产装置。 1.2.4 结论 根据国外已发表的资料，中等规模装置（4-6万tPa）的投资，异丁烯法要低于丙酮氰醇法，而丙酮氰醇法的优势在较大规模的装置（10万tPa）上将显现出来，其单位投资将明显降低。因此在选择工艺路线时，必须根据市场情况考虑装置的规模效应，找到原料的、市场和投资的最佳结合点。 目前国内MMA市场需求形式较好，但这也促使了大量的MMA项目产生，未来几年竞争必然加大。另外，考虑到国内技术现状及本人知识层面不够，本设计使用ACH法生产MMA，并对其进行适当的优化，未来市场火爆时，也可迅速在原规模上进行扩大生产。 1. 3 甲基丙烯酸甲酯市场状况及发展前景 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是甲基丙烯酸甲酯（MMA）的均聚物或共聚物，俗称有机玻璃，美、英、德、日等国家均称之为Acrylics（压克力）。有机玻璃是具有无定型结构的高透明热塑性材料，其透光率达90%-92%，折光指数1.49，是透光性最好的热塑性塑料。有机玻璃具有优良的机械性、抗碎裂性、耐气候性、耐腐蚀性和电绝缘性，适宜于机械加工、热塑成型、吹塑、吸塑、溶剂胶合、热印、丝网印刷等二次加工，产品广泛应用于国防军工、建筑、交通运输、广告装潢、文教卫生、仪器仪表、日用品等领域。 1.3.1 世界市场 一、供需现状 2007年世界MMA生产能力341.6万t/a，产量约304.5万t，装置开工率89%。MMA生产主要集中在美国、西欧和日本三个发达国家和地区的20多家工厂，生产能力合计约228万t/a，占世界总生产能力70%。在世界其它地区，现有和在建的较大规模MMA生产装置大部分也属于欧、美、日生产公司的合资企业、子公司或许可生产。 世界MMA的生产以丙酮氰醇法为主，约占总产能的80%。其余大部分采用异丁烯法。美国和西欧的MMA生产装置主要采用丙酮氰醇法，而日本MMA生产主要采用异丁烯法。另外，东亚、东南亚一些新建装置也采用了日本的异丁烯直接氧化法技术。 根据国外研究机构最新统计，截至2008年上半年，全球MMA总产能已增至363.5万t/a，美国、西欧、中东欧和中南美的产能变化很小，主要增长在亚太地区，亚太地区产能已增至177万t/a。 英国Lucite国际公司（原Ineos Acrylics公司）是世界最大的MMA生产商，在美国、英国和我国台湾拥有生产装置，其总能力占世界总能力的21.7%。美国Rohmand Haas公司是世界第二大MMA生产公司，其在Texas的36万t/a生产装置是世界最大的MMA装置。世界其它MMA主要生产企业还包括德国Degussa、法国Total、日Mitsubishi Rayon（三菱人造丝）、Sumitomo（住友）和Asahi KaseiChemical Industry（旭化成）等[]。2007年世界MMA主要生产企业列于表5。 表5 2007年世界MMA主要生产企业 近几年，世界新增MMA产能主要集中在亚洲地区。2005年，上海璐彩（Lucite）公司在上海化工区9万t/aMMA和6万t/aPMMA装置投产；新加坡SMM公司扩增3万t/a；中国惠州惠菱化成有限公司7万t/aMMA装置2006年底建成投产；泰国MMA公司新增2万t/a；韩国LGMMA公司丽水MMA装置增加8万t/a产。2005—2007年间，亚洲新增产能合计为29万t/a。 国外MMA主要消费于生产丙烯酸树脂和塑料（有机玻璃浇铸、挤出片材和模塑料），在美国、西欧和日本分别占各自国家和地区消费比例的48.1%、58.8%和49.9%。其次是表面涂料，在美国和西欧分别占22.5%和24.4%。MMA在欧美日发达国家属市场成熟产品，高性能PMMA树脂的不断开发成功，为其市场应用注入了新的活力。 2007年世界MMA消费量约304.2万t，其中亚洲需求急剧增加，达到145.5万t（含日本），近两年我国MMA市场年均增长速度高达13%，而且需求仍在不断扩大。 MMA最主要的下游产品有机玻璃（PMMA）具有光学透明特性、耐气候性、电绝缘性、耐药品性、耐冲击性、质量轻及易成型性等优点，发达国家广泛应用于建筑、汽车、照明器材、光学仪器、展览橱窗以及各种工业用、家用、医用设备等领域。由于有机玻璃大量应用于建筑、汽车等行业，因此其发展速度受整个国民经济的发展速度的影响很大。 近几年，世界信息产业的高速发展，电脑和平板电视大量采用液晶显示器（LCD）替代传统的阴极射线管（CRT）监视器，使LCD的消费量持续增长，今后几年预计发展速度将进一步加快。PMMA模塑料是LCD面板的主要原料，LCD需求的迅速增长大大促进了光导用PMMA切片和粒料的生产发展。 由于LCD等电子器件，以及广告牌用品、汽车配件、人造大理石等在亚太地区的需求量迅速增长，带动了MMA和PMMA的需求，MMA和PMMA已成为亚太地区今后的投资热点。世界各大生产厂商都十分看好亚洲MMA市场前景，纷纷计划在亚洲新建和扩建MMA项目，以获取高额利润，亚洲MMA生产迎来了巨大的发展机遇。 在新建项目时，欧美企业仍倾向于使用传统的丙酮氰醇法工艺，而日、韩、台公司倾向采用异丁烯法技术。由于这两种工艺在原料供应上均存在一定的限制条件，因此投资者更可能以合资、合作形式出现，即在当地寻找合作伙伴共同建设[]。 二、供需预测 除日本之外的亚洲其他地区将成为MMA未来生产与消费的主要地区，大部分新建装置将集中在这一地区。预计未来几年将是MMA产能高速增长时期，由于亚洲地区MMA下游产品年消费增长率一直保持两位数增长，因此许多企业计划在亚洲新建或扩建MMA生产装置。预计2011年世界MMA生产能力将达到420.7万t/a，较2006年新增88.3万t/a，其中亚洲其他地区将新增产能66.6万t/a，其总产能达到155万t/a。在亚洲其他地区中，我国大陆、韩国、新加坡和泰国是MMA产能主要增长地区。 2011—2016年期间，预计世界MMA生产能力将进一步增加至492.6万t/a，中东地区也将开始MMA生产，沙特国际石化公司（Sipchem）与璐彩特的合资公司在朱拜勒建设的25万t/aMMA装置预计2012年建成。 预计今后几年世界MMA市场需求将以每年5%左右的速度增长，需求增速超过期GDP增长速度，2011年达到371.3万t左右，2016年增长至420万t左右。同期，亚洲MMA市场需求增长更为迅速，达到年均8.4%。我国MMA市场年均增长速度高达9.4%，未来几年将成为仅次于美国和日本的全球第三大消费市场。亚洲MMA需求增长的主要动力，将来自于液晶显示器、建筑和汽车领域。 世界PMMA下游增长最迅速的LCD市场[]，预计2006—2011年将年均增长16.8%，2011—2016年需求年均增长7.1%，需求增长主要受到电脑和平板电视市场增长的驱动。 1.3.2 国内市场 一、我国甲基丙烯酸甲酯生产现状 我国甲基丙烯酸甲酯最早由有机玻璃废料裂解制得。目前，生产厂家有10多家，总生产能力约为6.4万吨/年(不含裂解单体的生产厂家和生产能力)，生产工艺全部采用丙酮氰醇法。由于我国丙酮氰醇供应严重不足以及生产规模等因素的影响，我国甲基丙烯酸甲酯产品的生产成本很高，生产发展缓慢。加上进口产品凭借价格较低的优势，大量涌入我国，进一步冲击国内甲基丙烯酸甲酯的生产，使得国内甲基丙烯酸甲酯的开工率很低。 除此之外，我国还有30 多家裂解单体生产甲基丙烯酸甲酯的厂家，这些生产厂家将有机玻璃边角料、机头料、废料回收重新裂解生产，厂家主要分布在江苏、浙江和广东等地，以私营或乡镇企业为主，总裂解生产能力约为6-7万吨/年，年产量约为2.5-2.8万吨，产品纯度为98％左右，最高可以达到99％。 我国甲基丙烯酸甲酯生产厂家的生产工艺路线基本类同，有一部分生产厂采用氰化钠为原料，经与硫酸反应生产氢氰酸，再与丙酮作用生成丙酮氰醇，进而制得甲基丙烯酸甲酯的原料路线，浪费了大量的硫酸和氢氧化钠，并产生大量的含氰废水，对环境污染大，生产成本高；大部分生产厂家采用丙烯腈装置副产的氢氰酸直接生产丙酮氰醇，进而生产甲基丙烯酸甲酯的原料路线。除此之外，我国还有一部分生产厂家采用轻油裂解法和有机玻璃边角余料裂解法来生产甲基丙烯酸甲酯。到目前为止，我国还没有建立采用其它方法生产甲基丙烯酸甲酯的生产装置。 国内早期的MMA生产是由有机玻璃废料经裂解而制取的。20世纪50年代末期，先后在苏州安利化工厂和上海制笔化工厂各建了一套1000t/a和6000t/a装置，工艺均采用丙酮氰醇路线。20世纪70年代又陆续建设了一批中小型装置。20世纪80年代末期开始从国外引进技术，建设较大规模的MMA生产装置，黑龙江安达龙新化工有限公司和抚顺有机玻璃厂先后从意大利Vedril公司和捷克PLZ公司引进2万t/a和1.3万t/a的装置。经过重组改造，吉化公司已成为国内最主要的MMA生产企业之一，已形成12.8万t/a产能；2007年4月，日本三菱（合纤）丽阳株式会社在我国最大的投资项目广东惠州大亚湾石化工业区惠菱化成公司9万t/aMMA项目建成投产，成为国内首家采用异丁烯工艺的MMA企业。 2007年我国MMA生产能力达到35.8万t/a，产量约30万t。目前国内MMA主要生产企业见表6。 表6 国内MMA主要生产企业的生产情况 此外，我国还有上百家小型有机玻璃裂解生产MMA的企业，年产量在12万t左右，主要分布在华东、华南和华北地区，尤其集中在江苏、浙江和广东等地，以私营或乡镇企业为主。这些生产厂将有机玻璃制品回收料、有机玻璃生产加工过程产生的边角料、机头料、废料加以裂解生产低档次的MMA产品[]，其裂解原料主要来自进口和废料回收。 现阶段新建、扩建计划： （1）赢创（原德固赛Degussa）公司。投资2.5亿欧元在上海漕泾建设MMA和甲基丙烯酸酯精细化学品一体化联合装置，MMA和PMMA装置能力分别为10万t/a和4万t/a，采用异丁烯法技术。国家发改委于2007年4月初批准了该项目建设。2007年9月该项目举行奠基仪式，定于2009年投运。 （2）上海璐彩特公司。计划将其生产能力由9万t/a扩建到11.5万-15 万t/a（视上游丙烯腈装置情况确定）。 （3）吉化公司。随着其丙烯腈装置的不断扩建，氢氰酸副产量增加，其下游的MMA装置势必加以扩建，其扩建规模也将视上游丙烯腈装置扩建情况确定。 （4）黑龙江中盟龙新化工有限公司。该公司是国内主要有机玻璃生产企业之一，现有2.5万t/aMMA产能，计划新建5万t/aMMA项目。[] 2011年国内MMA生产能力将达到55万t/a左右（不包括裂解有机玻璃废料的MMA产能）。 二、国内MMA供需预测 我国近年MMA和PMMA模塑料净进口量列于表6。 表6 我国MMA和PMMA模塑料年进口量 进口量自2004年以来开始有所下降，出口量大幅度增加。2007年，国内MMA进口量为7.26万t，PMMA进口量达到14.94万t。我国大陆MMA进口主要来自日本、德国、我国台湾省、泰国、韩国和新加坡等地区，PMMA进口主要来自韩国、日本、新加坡和我国台湾省等地区。 经过多年应用开发，国内MMA应用领域正在不断扩展。MMA已从20世纪70年代几乎全部作为单体聚合加工成PMMA浇铸板的单一品种状况转向应用于非树脂产品的加工领域，如PVC抗冲改性剂ACR和MBS、表面涂料、粘合剂、纺织浆料、医用高分子材料、皮革助剂和一些多元复合塑料合金等领域，并开发了耐温、耐磨、抗静电、高抗冲PMMA，特大、特厚、中空、异型等有机玻璃及光导纤维用的PMMA内芯材料等。 2007年我国MMA产量约30万t（不含裂解MMA产量），进口7.26万t，出口5.65万t，表观消费量31.6万t（不含裂解MMA）。国内MMA消费量主要用于有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA），约占总消费量的62%；其次用于PVC抗冲改性剂[]，占19%，表面涂料占14%，其他领域占5%。2007年国内MMA消费结构及需求预测见表7。 表7 国内MMA消费结构及需求预测 我国丙烯酸酯最大的下游用户是涂料。据统计，2005年我国建筑涂料产量为180万t，消费丙烯酸酯30万t，占丙烯酸酯总消费量的45%。重视产品质量，并逐步与国际标准接轨，成为我国涂料工业的必由之路，这也就必将造成中高档涂料的需求量增加，从而推动丙烯酸行业加快发展［］。除涂料外，胶粘剂、化纤、塑料加工等领域对丙烯酸酯的需求量也将持续增长，且增速较快。 因此，从长远看，我国丙烯酸及酯有着良好的发展空间。在国内丙烯酸反倾销之后，境外企业以先进的技术和灵活的机制参与中国的市场竞争，产生了明显的"鲶鱼效应"。促进了原有企业的技术改造，带动了行业的技术进步和产业升级进程，有效地提高了我国丙烯酸及酯行业的国际竞争力［］。 近几年丙烯酸及酯市场已步入充满风险和挑战的薄利时代，投资风险日益增大，涉足丙烯酸产业要谨慎、新建装置应充分考虑市场竞争力的问题。今后我国东北、华东、西北地区丙烯酸及酯将供大于求，而华南、华北将供不应求，特别是华南地区是丙烯酸下游产业集中的地区，市场规模较大。因此投资丙烯酸及酯项目应因地制宜选择投资地点，规划中的项目应慎重选择投资时机、充分论证，以免盲目建设［］。 1.3.3 甲基丙烯酸甲酯行业发展前景 (1)将国内丙酮氰醇集中供应，以确保几个主要甲基丙烯酸甲酯生产厂家生产装置的正常运行，提高万吨级生产装置的开工率，发挥它的积极作用。另外，对一些管理不善、单耗高、规模小、效益不佳的小企业坚决进行关停并转。 (2)国内有原料优势的企业应抓住机遇，利用原料优势，引进国外先进技术， 规模化生产甲基丙烯酸甲酯，减少中间环节，降低生产成本，提高产品的市场竞争力。 (3)对现有采用丙酮氰醇法工艺路线的生产装置进行改扩建，使其达到一定的生产规模。发挥丙酮氰醇法规模效益的优势。今后不宜重复建设未达到技术经济规模的生产装置。 (4)在积极对丙酮氰醇法工艺路线进行改进优化的同时，还应积极探索甲基丙烯酸甲酯生产的其他工艺路线，开拓原料来源。由于我国乙烯生产严重供不足需，且运输和贮存条件苛刻，成本高，因此我国不适宜采用乙烯路线。甲基丙烯腈法的原料叔丁醇在我国也不好解决，该工艺的经济竞争力与其它工艺相比较也不强。加上这两项技术分别为德国BASF 公司和日本旭化成公司独家所用，因而寻求技术转让不太容易，估计要价会很高。而异丁烯氧化法生产甲基丙烯酸甲酯与其他方法相比较，具有原料来源广泛、催化剂活性高、选择性好、寿命长、对环境污染小、经济技术好，很适合建设2—5 万吨/年规模生产装置等特点，为此建议国内新上甲基丙烯酸甲酯生产装置应优先考虑采用该方法。原料异丁烯可以通过MIBE 裂解法制得(由于各组分沸点接近，提取混合C4 原料中的异丁烯不能通过简单的精馏分离)。燕山石化公司研究院和吉化公司研究院各自开发成功MTBE 裂解制高纯异丁烯工艺技术，并实现了工业化生产，可以国内利用异丁烯氧化技术建设甲基丙烯酸甲酯生产装置提供原料保障。另外，异丁烯氧化法生产甲基丙烯酸甲酯工艺技术成熟，在日本有多家公司拥有生产技术，且已经建成多套经济规模的生产装置，比较容易引进。 (5)在加强生产的同时，加大甲基丙烯酸甲酯下游产品的开发力度。生产企业应与科研部门联手合作，大力开发高附加值、高技术含量的下游产品，如特种有机玻璃，做到产品系列化、多元化、专用化，不断提高产品的质量，降低产品价格，避免遭受PSC、PVC 等替代产品的冲击；高效能PVC 抗冲击改性剂ACR 和MBS是甲基丙烯酸甲酯下游产品中最具有发展前途的品种之一，国内应集中力量解决生产技术与工程化问题，一方面满足蓬勃发展的塑料工业的需求，另一方面促进甲基丙烯酸甲酯的消费。 (6)走兼并重组的道路，形成规模化经营。 (7)加强企业内部管理，降低单耗、能耗和生产成本，增加设备的开工率。 1.4 研究目的及意义 本设计分析了目前国内外实现工业化MMA生成技术，并结合我国甲基丙烯酸甲酯生产现状，综合比较之后，选定了最适合的生产工艺。 设计根据既定的工艺路线和工艺条件，采用相关的单元过程及单元操作，设计出优化的工艺流程，并根据工艺条件选择出合适的设备，设计出合理的厂房布局，以满足生产的要求，并做到技术上可行、符合安全条例、经济上合理，确定最优方案，以达到使其工艺产率增加，能耗降低，降低环境污染的目的。 1.5 课题简介 此课题来源于指导老师的分配，查阅大量资料之后，对甲基丙烯酸甲酯行业有了一定了解，甲基丙烯酸甲酯是一种极其重要的化工产品，但关键技术几乎都掌握在几个垄断型大公司手中。 作为一名大学生，我认为我们有义务打破这种垄断，要使中国也能在甲基丙烯酸甲酯生产技术领域有一定影响力。尽管我目前能力有限，但我会尽我所能去了解甲基丙烯酸甲酯行业，将来有机会为此做出贡献。 第2章 设计生产方法及工艺流程 2.1 ACH法工艺技术特点 丙酮氰醇和硫酸分别用泵按所需比例连续加人到混合釜中反应, 温度控制在℃ 以下, 生成的甲基丙烯酞胺硫酸盐混合流靠重力流进醋化釜, 同时加人甲醇、阻聚剂、洗涤水等, 进行醋化反应, 生成甲基丙烯酸甲醋。反应所得的气 相, 分层冷凝后进行中和萃取酉旨化后的中含有甲基丙烯酸, 甲醇和水等其他有机物, 用氢氧化钠溶液中和后, 用水进行萃取萃取后的水相去脱轻塔进行甲醇回收, 有机相为粗甲基丙烯酸甲酯送到精制工段，通过精馏塔进行精制，得到成品MMA。 酯化反应采用的是连续化生产的工艺。新鲜和回收的甲基丙烯酸及甲醇按一定的比例进入酯化反应器，在催化剂及一定温度条件下进行酯化反应。离开反应器的物料中，除了甲基丙烯酸甲酯外，还有未反应的原料甲基丙烯酸、甲醇以及其他副产物，随后将其分离回收及提纯精制系统，分离回收未反应的原料和提纯精制产品甲基丙烯酸甲酯。根据物料的性质和分离精制要求，回收采用的是萃取和精馏的方法，提纯精制采用的是精馏的方法。在该单元中甲基丙烯酸与甲醇反应，生成甲基丙烯酸甲酯，磺酸型离子交换树脂被用作催化剂。 2.1.1 反应原理 甲基丙烯酸甲酯生产以丙酮和丙烯腈的副产物氢氰酸为原料，经酰胺反应及水解生成甲基丙烯酸，甲基丙烯酸和甲醇进行酯化反应生成甲基丙烯酸甲酯，催化剂为浓硫酸。 反应方程式： 甲基丙烯酸与甲醇的酯化反应是生产有机酯的反应。其反应方程式如下： CH2=C(CH3)COOH+CH3OH CH2=C(CH3)COOCH3+H2O 这是一个平衡反应，为使反应有向有利于产品生成的方向进行，采用一些方法，一种方法是用比反应量过量的酸或醇，另一种方法是从反应系统中移除产物。 2.1.2 酯化反应工艺条件 甲基丙烯酸甲酯的酯化反应在固定床反应器内进行，它是一个可逆反应，本工艺采用酸过量使反应向正方向进行。 （1）原料配比 酸/醇的摩尔比为1：0.75 按反应方程式，甲基丙烯酸与甲醇酯化生成甲基丙烯酸甲酯的反应为等摩尔反应，理论上甲基丙烯酸与甲醇的投料摩尔比应为1：1，但该反应是可逆反应，对于可逆反应，通常希望通过增加某一原料的投料量来提高转化率。甲基丙烯酸与甲醇酯化反应中，使何者过量对反应更为有利？从以上反应方程式可以看出，在甲基丙烯酸与甲醇的酯化反应过程中，除了发生生成甲基丙烯酸甲酯的酯化反应外，还会发生一系列的副反应。这些副反应中有些是甲醇与甲基丙烯酸发生加成反应，有些是甲醇与同一个甲基丙烯酸分子既发生酯化反应又发生加成反应，即过多的甲醇会导致加成反应与酯化反应竞争。显然，若增加甲醇不仅会增加这些副反应，而且还可能导致更多的其他副反应发生；反之，若减少甲醇，则会对这些副反应起到抑制作用。此外，甲醇与水及甲基丙烯酸形成恒沸物，分离回收没有甲基丙烯酸容易，故甲基丙烯酸与甲醇的酯化反应采取了甲基丙烯酸过量的投料方式。 （2）转化率 甲醇的转化率控制为60%-70% 酯化反应为可逆反应，其平衡常数K为： 平衡常数 从上式可知，如果降低水的浓度，即不断将生成的水从反应中除去，则反应会不断向生成甲基丙烯酸甲酯的方向进行，甲基丙烯酸甲酯的浓度会提高，因此酯化反应需将反应所形成的水不断除去，以提高甲基丙烯酸甲酯的产率。本工艺即是利用水与甲基丙烯酸甲酯及甲醇形成恒沸腾物，冷凝后水与甲醇互溶而在甲基丙烯酸甲酯中的溶解度很小这一特点，将水分离出去，甲醇与甲基丙烯酸回收循环利用。同时，从“工艺条件（1）原料配比”的分析中可知，酯化转化率必须控制在一定的范围内。因为过高的转化率增加了甲醇与甲基丙烯酸发生加成反应的机会，导致副产物增加。因此，酯化反应过程对甲醇的转化进行了限制。综合考虑，甲醇转化率被限定为60%-70%的中等程度比较合适。未反应的甲基丙烯酸及甲醇通过分离后循环利用。 （3）催化剂 催化剂为硫酸型离子交换树脂 为降低酯化反应的活化能，加速反应的进行，酯化反应多采用强酸性催化剂。通常用作催化剂的强酸有浓硫酸、干燥氯化氢、对甲苯磺酸、磺酸型阳离子交换树脂、二环己基碳二亚胺、四氯铝醚络合物等。其中浓硫酸具有强酸性、吸水性好、催化效果好、价格低廉等优点而经常被使用。但缺点是容易发生醇脱水生成醚及烯烃，会导致磺化、碳化、聚合等副反应；具有氧化性，产品的色泽难以控制；腐蚀性强；生产中产生的废酸量大、连续化生产困难。 本工艺的酯化反应采用的是固定床式反应器，实行连续化生产，故采用了磺酸型阳离子交换树脂作催化剂。磺酸型阳离子交换树脂具有酸性强、催化效率高、副反应少、无催化剂分离、无废酸污染、产品后处理方便等优点，同时还可再生后重复使用，是新型的高效催化剂，结合固定床反应器，适于连续化生产。但磺酸型离子交换树脂容易受到金属离子的玷污、焦油性物质的覆盖，容易被氧化及容易发生不可逆转的溶涨等，因此，使用过程应特别注意。 用于甲酯单元的离子交换树脂的恶化因素有：金属离子的玷污、焦油性物质的覆盖、氧化、不可撤回的溶涨等。因此，如果催化剂有意被长期使用，这些因素应引起注意。被金属铁离子玷污导致的不可撤回的溶涨应特别注意。 （4）反应温度 原料进反应器控制温度为75℃ 提高温度可以加快速率，但酯化反应为可逆反应，温度上升一定的程度，逆反应速率会随之加快。同时，高温下，加成、聚合等副反应速率也会上升。因此，酯化的温度不宜太高。实践，采用磺酸型离子交换树脂催化剂，在75℃的反应温度下，甲基丙烯酸与甲醇酯化反应能力比较好满足甲醇被限定为60%-70%的转化率的要求。 （5）反应压力 酯化反应控制压力301kPa（表压） 酯化反应要求在液相、75℃以上条件下进行。但常压下甲醇的沸点为64.5℃，在75℃的反应温度下，液态的甲醇被汽化为气态，气态的甲醇比液态的甲基丙烯酸会更快地离开反应器，导致甲醇在反应器中的停留时间缩短，也就是甲醇与催化剂及甲基丙烯酸的接触机会减少，接触时间缩短，甲醇来不及与甲基丙烯酸反应立即离开反应区，甲醇的转化率会大大降低，达不到规定的60%-70%的转化率要求。采取加压反应，提高了甲醇的沸点，使甲醇始终处于液相状态，保证甲醇与甲基丙烯酸在反应器中具有相同的停留时间和充分地接触，使反应能充分进行。 2.1.3 甲基丙烯酸甲酯ACH法生产流程框图 2.2甲基丙烯酸甲酯ACH法生产流程叙述 2.2.1 反应循环 甲基丙烯酸甲酯生产原料甲基丙烯酸及甲醇有两个来源，一是从罐区来的新鲜的甲基丙烯酸和甲醇，二是回收系统回收的甲基丙烯酸和甲醇。回收的甲基丙烯酸主要由甲基丙烯酸分馏塔底部回收得到，回收的甲醇由醇回收塔塔顶回收得到。新鲜及回收的甲基丙烯酸和甲醇必须达到酯化反应质量标准方可投入生产使用。投料采用甲基丙烯酸过量，酸/醇摩尔比为1：0.75.酯化反应系统如图所示。 由甲基丙烯酸分馏塔底部回收得到的甲基丙烯酸，经循环过滤器过滤之后。与从罐区来的新鲜的甲基丙烯酸和甲醇及回收的甲醇一道经过预热器预热，控制 反应器入口温度为75℃，反应器压力为301kPa，转化率为60%-70%。酯化反应得到的是混合液体，其主要组成为甲基丙烯酸甲酯、水、高沸物重组以及未反应的甲基丙烯酸和甲醇等，离开反应器后送至分离回收塔和提纯精制工序进行为反应原料的回收和产品的提纯精制。 2.2.2 回收及分离 酯化反应采用的是甲基丙烯酸过量，同时酯化反应的转化率（以甲醇为准）控制为60%-70%，因此离开反应器的反应液中尚有部分原料没有反应。分离回收的目的即是除去反应过程中生成的水及高沸点物质，回收未反应的甲基丙烯酸及甲醇，使其循环使用。 一、甲基丙烯酸回收 甲基丙烯酸回收是利用丙烯酸分馏塔精馏的原理，轻的甲基丙烯酸甲酯、甲醇和水从塔顶蒸出，重的甲基丙烯酸从塔底排出来。 （1）原理及工艺条件 甲基丙烯酸分离的原理是利用甲基丙烯酸、水和甲醇形成恒沸物。先通过精馏将甲基丙烯酸及高沸物与甲基丙烯酸甲酯、水和甲醇分离开来，再通过薄膜蒸发器除去甲基丙烯酸中的高沸组分。甲基丙烯酸回收系统的组分变化如图所示。 为防止甲基丙烯酸在高温下聚合，精馏及薄膜蒸发均采用减压操作，并且加入适量的空气和阻聚剂。 甲基丙烯酸蒸馏塔操作工艺条件：塔顶压力28.7kPa，塔顶温度41℃，塔釜温度80℃。 薄膜蒸发器操作工艺条件：压力35.33kPa，温度120.5℃。 （2）工艺条件 将来自反应器顶部的物料送至甲基丙烯酸分馏塔。经过精馏，甲基丙烯酸、水、甲酯形成均相共沸混合物从塔顶排出，经过塔顶冷凝器冷凝后进入回流罐，在此罐中分为油相和水相，油相由输送泵抽出，一路作塔顶回流，另一路和分出的水相一起送至醇萃取塔。甲基丙烯酸从塔底排出，其中一部分直接送至过滤器过滤后重新进入反应器参与反应。另一部分送至薄膜蒸发器，分离除去甲基丙烯酸酯的二聚物、多聚物和阻聚剂等重组分，粗甲基丙烯酸甲酯则重回甲基丙烯酸分离塔进一步分离回收。 二、甲醇回收 醇萃取塔利用醇易溶于水的物性，用水将甲酯从主物流中萃取出来，同时萃取液夹带了一些甲酯，再经过醇回收塔，经过精馏，大部分水从塔底排出，甲醇和甲酯从塔顶蒸出，返回反应器循环使用。 （1）原理及工艺条件 甲醇回收采用先萃取后精馏的方式。利用甲醇易溶于水，甲基丙烯酸甲酯难溶于水的特性，先用水将甲醇从混合物体系中萃取出来，初步实现甲基丙烯酸甲酯与甲醇水溶液的分离。然后采用精馏的方法从甲醇水溶液中分离回收甲醇。甲醇回收系统的组分变化如图所示。 甲醇萃取塔操作工艺条件：温度25℃，压力301kPa。 甲醇回收塔操作工艺条件：塔顶压力62.7kPa，塔顶温度60℃，塔底温度90℃。 （2）甲醇萃取工艺过程 来自甲基丙烯酸分馏塔物料经冷却器冷却后送入醇萃取塔底部。萃取剂水从水储罐抽出打入萃取塔的顶部。通过液-液萃取，粗甲基丙烯酸甲酯从萃取塔顶部排出并送至 醇拔头塔；甲醇水溶液从萃取塔底部排出，与醇回收塔底分离出来的水（高温）经热交换器预热后进入醇回收塔。 （3）甲醇精馏工艺过程 来自醇萃取塔底部的甲醇水溶液与醇回收塔底部分离出的热水换热后进入醇回收塔。经过精馏，在顶部得到甲醇，冷凝后送回反应器循环利用。塔底得到的水经换热器与进料（甲醇水溶液）换热后，再经过冷却器用10℃的冷冻水冷却后，进入储槽重新用作萃取剂。 2.2.3 提纯精制系统 一、提纯——醇拔头 醇拔头塔为精馏塔，利用精馏的原理，将主物流中少部分的醇从塔顶蒸出，含有甲酯和少部分重组分的物流从塔底排出，并进一步分离。 （1）原理及工艺条件 经萃取后，自萃取塔顶部得到只是甲基丙烯酸甲酯，其中还含有少量的甲醇和水。提纯——醇拔头，即是通过精馏，将粗甲基丙烯酸甲酯中少量的甲醇和水除去。由于甲基丙烯酸在高温下容易聚合，醇拔头塔也采用减压操作方式，并且通入空气和加入阻聚剂。提纯精制系统的组分变化如图所示。 醇拔头塔操作条件为：塔顶压力62.66kPa，塔顶温度61℃，塔底温度71℃。 （2）醇拔头工艺条件 将来自醇萃取塔顶部的粗甲基丙烯酸甲酯送至醇拔头塔。精馏后，甲醇、水及少量的甲基丙烯酸甲酯从塔顶排出，经塔顶冷凝器冷凝后进入分层回流罐，油水分成两相，水相流入甲醇水溶液储罐，油相抽出后，一路作为醇拔头塔塔顶回流，另一路送至醇萃取塔以重新回收甲醇和甲基丙烯酸甲酯。塔顶得到的甲基丙烯酸甲酯送入醇提纯塔。 二、精制——酯提纯 酯精制塔为精馏塔，利用精馏的原理，将主物流从塔顶蒸出，塔底部分重组分返回丙烯酸分馏塔重新回收。 （1）原理及工艺条件 酯化反应液经甲基丙烯酸分馏后，塔顶产物中还会带有少量的甲基丙烯酸；分离精提纯化过程中为防止聚合虽然加入过阻聚剂，但仍有聚合物生产的可能。这些少量的甲基丙烯酸、阻聚剂和可能生产的聚合物作为重组分，经过醇萃取和醇拔头精馏操作并不能除去。同时，通过精馏的方法精制获得最终产品通常应从塔顶得到，这样可以最终除去重组分或机械杂质，保证产品的纯度。因此从醇拔头塔塔底得到的甲基丙烯酸甲酯还需要通过醇提纯塔进一步精制。同样，为防止精制精馏过程中发生聚合，醇拔头塔也采用减压操作方式，并且通入空气和加入阻聚剂。精制的组分变化如图所示。 醇提纯塔操作工艺条件：塔顶压力21.30kPa，塔顶温度38℃，塔底物浓度56℃。 （2）醇提纯工艺过程 将来自醇拔头塔塔底的甲基丙烯酸甲酯送入醇提纯塔精 馏。经过精馏，少量甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯及其他高沸物杂质从塔底排出，送回分馏塔循环分馏。甲基丙烯酸成品从塔顶采出。经塔顶冷凝器冷凝后进入塔顶回流罐，由泵抽出后，一路作为醇提纯塔塔顶回流，另一路作为产品送出装置至甲基丙烯酸甲酯成品储罐。 第3章 工艺计算 3.1物料衡算 全装置工艺数据： （1）生产规模 年产10000吨甲基丙烯酸甲酯 （2）生产时间 年工作时间8000小时 （3）全装置总收率按95%计算，损耗（包括工艺损耗和机械损耗）为5%。 反应方程式： （1）ACH工段 ACH生产反应方程式 分子量 58.07 27.03 85.1 投入量（kg/h） 10400 4850 实际消耗（kg/h） 9900 4600 生成量（kg/h） 14500 （2）酰胺化工段 酰胺化反应方程式 分子量 85.1 169.19 投入量（kg/h） 14500 实际消耗（kg/h） 14165 生成量 （kg/h） 28160 转位反应方程式 (3)水解及酯化工段 水解反应方程式 酯化反应方程式 分子量 86.09 32.04 100.12 18.01 投入量（kg/h） 14330 4200 实际消耗（kg/h） 10750 4000 生成量 （kg/h） 12500 2250 3. 2 物料衡算表 表 物料衡算表 工段 输入物料量 输出物料量 名称 数量 名称 数量 ACH工段 丙酮 氢氰酸 氢氧化钠 10400 4850 — 丙酮氰醇 损耗及其他 14500 750 合计 15250 合计 15250 酰胺化工段 丙酮氰醇 100%硫酸 （硫酸1.5倍） 14500 25000 a- 羟基异丁烯 酰胺硫酸盐 损耗及其他 28160 11340 合计 39500 合计 39500 水解酯化工段 甲基丙烯酸 甲醇 （mol1：0.75） 14330 4200 甲基丙烯酸甲酯 水 损耗及其他 12500 2250 3780 合计 18530 合计 18530 表 主要原材料消耗定额表 原料名称 消耗定额 kg/t 丙酮 8320 氢氰酸 3880 甲醇 3360 100%硫酸 20000 NaOH — 表 排放物综合表 序号 类 型 名 称 主要成分 排放量 1 废 气 氮气 过量的未反应的原料 微量 2 氮气 HCl 570 3 废 水 聚合废水 水，氯化铵，少量原料 437 4 加成废水 水，少量原料 255 5 加聚液废水 水，氯化铵，少量原料， 197 6 废 渣 光氯化废渣 高沸物 微量 7 聚合废渣 少量原料 35 8 环合废渣 少量原料，有机杂质 微量 3.3 热量衡算 在进行热量衡算时，主要对生产过程中的反应设备进行计算，以确定加热剂和制冷剂的用量。以每年生产10000吨甲基丙烯酸甲酯为计算基准，热量衡算的基准温度为0℃。 3.3.1 混合釜 （1）已知条件 ①单台反应釜的投料量：丙酮10400kg，氢氰酸4850kg。 ②反应釜规格φ2800/3000×1800（筒体），V=2000L，数量1台。 ③操作要求：温度≤65℃，反应时间8-10小时 （2）各项热量值计算 ①（因为物料由合成釜抽过来时温度较高所以取初始温度为40℃）物料由40℃升温至60℃所需热量 Q＝∑WCp(t2-t1) =(1050×0.96+2729×1.76)×20=116220kJ ②反应釜的热损失 设反应釜每小时热损失约为100kJ/m3。单台反应釜的内表面积为 A=2πrh+2Sf==3.14×1.5×1.8＋2×2.6275=14.2 m2 则每台反应釜操作8小时损失的热量Q=14.2×100×8=11360kJ 所以操作8小时每台反应釜需要提供的热量为116220+11360=127580kJ （3）传热面积的确定[9] 采用水蒸气进行升温，总传热系数K取836kJ/m2·℃。 物料t 40 → 60 蒸汽T 80 ← 110 △t1=40 △t2=50 由文献[9]4-45得对数平均温度差为 △t m=(△t1-△t2)/㏑(△t1/△t2) =10/ln（50/40）=44.8℃ 由文献[9]公式4-44得传热面积为 S＝Q/(K·△tm)=127580/(836×44.8)=3.41m2 即要求反应釜的传热面积达到3.41㎡. （4）传热剂用量的计算 由式Q＝WCp(t2-t1)得W=Q/ Cp(t2-t1)=127580/(1.9×8)=8393.4kg 即每台反应器需要8393.4kg水蒸气进行供热。 3.3.2 酰胺反应釜 （1）已知条件 ①单台反应釜的投料量： ②反应釜规格φ1400/1500×1700(筒体)，V=3000L，数量1台。 ③反应要求：物料温度为45℃。 （2）冷却过程中，各项冷量值的计算 ①冷却过程中物料由60℃降至45℃所需的冷量 Q=(4042×1.15+1000×1.08+1325×0.76)×15 =101029kJ ②反应釜的冷损失 设45℃时，每小时热损失为50kJ/m2。单台反应釜的内表面积 A=3.14×1.4×1.7＋2×2.3005=12.07m2 则每台反应釜7小时损失的热量Q=12.07×50×7=4224.5kJ 所以每台反应釜需要提供的热量为101029+4224.5=105253.5kJ （3）传热面积的确定 若采用15℃的循环水降温，出口温度为-20℃，总传热系数为836kJ/ m2·℃。 物料t 60 → 45 冷盐水T 15 ← 25 △t1=45 △t2=20 △t=(45-20)/ln(45/20)=31℃ 要求设计反应釜的传热面积S＝Q/(K·△t m)= 105253.5/(836·31)=4.1m2 （4） 制冷剂用量的计算 W=Q/ Cp(t2-t1)= 105253.5/(4.18×7)=3597kg 即每台反应釜需要3597kg循环水来进行制冷。 第4章 主要设备及管道的选择及计算 4.1 主要设备选择及计算 4.1.1 混合釜 混合釜结构为带夹套的立式设备，顶部设置搅拌器。混合釜是该装置的关键设备，内设搅拌器和U性管式换热器，考虑到混合物料为过量100%的浓硫酸和丙酮氰醇发生酰胺反应，生成α-甲酰胺异丙基硫酸氢酯中间体，为防热反应，控制温度为80-100℃，根据100%硫酸腐蚀速度图选取该设备材质为铬镍钼不锈钢（00Cr17Ni14Mo2），以符合工艺要求。由于混合釜内U管换热器内介质为冷却水，一旦泄漏，就会马上将混合釜内的100%硫酸稀释成稀硫酸，高温稀硫酸为强腐蚀介质，就会造成整个设备迅速被腐蚀坏掉，造成整个装置停车，影响生产。 通常引进技术U管换热器采用哈氏合金B2或哈氏合金 的材质，考虑到一方面哈氏合金B2或哈氏合金 的材质引进和制造周期较长，另一方面设备投资增大。在国产设计中，U管换热器材质选用铬镍钼不锈钢（00Cr17Ni14Mo2），要求换热器的每一根U管必须采用无焊缝的整体管制造，也就是混合釜内部的每一根U管不允许有任何焊缝，避免了由于焊接工艺不过关导致U管泄漏的发生。从已开车的MMA装置的运行记录可以看出，到目前为止运行5年的混合釜没有出现任何问题。 （1）混合釜 物料：丙酮 10400kg  ρ=800kg/m3 V=13m3 氢氰酸 4850kg  ρ=1205kg/m3 V=4.02m3 合计体积 13+4.02=17.02 m3 装料系数 0.85 反应釜容积 17.02/0.85=20 m3 选用20000L铬镍钼不锈钢混合釜。 4.1.2 酰胺反应釜 在混合釜中发生酰胺化反应，生成α-甲酰胺异丙基硫酸氢酯中间体，在酰胺升温器中用带压高温导热油加热，进一步与100%的浓硫酸发生转位反应，生成甲基丙烯酸酰胺硫酸盐，反应控制温度为130-140℃，根据硫酸腐蚀速度图及设计压力选取该设备材质为哈氏合金B2或哈氏合金 。 （1）酰胺反应釜 物料：丙酮氰醇 14500kg ρ=932kg/m3 V=15.56m3 100%硫酸 25000kg ρ=1840kg/m3 V=1.36m³ 合计体积 15.56+1.36=16.92 m3 装料系数 0.85 反应釜容积 16.92/0.85=19.91 m3 选用20000L哈氏合金B2反应釜。 4.1.3 多级酯化釜 已完全反应的酰胺混合物依次依次进入多级酯化釜，并加入一定数量的中和水溶液和一部分新鲜甲醇，控制酯化反应温度为75-90℃，然后反应混合物进入酯化汽提釜出粗MMA，剩下的废酸液排入到废酸槽以进行后处理。在酯化过程中，由于酯化釜中加入了水，工艺物料中存在大量的高温稀硫酸，因此多级酯化选用带搅拌的搪瓷釜，同时内部构件如温度计等必须使用搪瓷套管。 （1）多级酯化釜 物料：甲基丙烯酸 14330 kg ρ=1010 kg/m3 V=14.2 m3 甲醇 4200 kg ρ=1110kg/m3 V=3.78 m3 合计体积 14.2+3.78=17.98 m3 装料系数 0.85 反应釜容积 17.98/0.85=21.15 m3 选用22000L搪瓷套管搪瓷反应釜。 4.1.4 其他设备 MMA装置中其他设备的选择是根据MMA的洁净度的要求选取的，粗MMA的设备材质一般选用碳钢，贮存成品MMA的设备，为避免MMA出现变色，影响产品纯度，设备材质全部选用铬镍钼不锈钢（00Cr17Ni14Mo2）。 4. 2 主要物料管道材质选择 4.2.1 98%硫酸、20%发烟硫酸管道 98%硫酸、20%发烟硫酸原料输送管道，考虑其为间歇操作，且操作温度控制在20℃，管道材质选择20号钢，管道壁厚在通常范围的基础上增加0.5mm。 4.2.2 100%硫酸管道 质量分数为100%的硫酸输送管道，为连续操做，操作温度为25-35℃，同时考虑冲刷腐蚀及MMA产品纯度要求，管道材质选择铬镍钼不锈（00Cr17Ni14Mo2）。 4.2.3 丙酮氰醇管道 输送丙酮氰醇的管道，因丙酮氰醇易受热分解产生氢氰酸，物料呈酸性，具有腐蚀性，管道材质选择，考虑到丙酮氰醇为高度危害介质，其管道法兰的压力等级为2.5MPa。 4.2.4 MMA管道 输送MMA的管道，因MMA产品纯度要求严格，为避免管道出现杂质，影响产品色度，管道材质选择铬镍钼不锈（00Cr17Ni14Mo2）；为防止MMA10℃以上聚合，管道需保冷。考虑到MMA为易燃易爆介质，其管道及法兰的压力等级为2.5 Mpa. 4.2.4 高温废酸液输送管道 甲基丙烯酸甲酯装置生产过程中，产生大量的废酸液，其主要成分为高温稀硫酸（含硫酸20%左右，操作温度90-125℃），具有强腐蚀性，管道材质选择钢衬聚四氟乙烯。 4.2.5 生产污水管 甲基丙烯酸甲酯生产过程中，产生的污水主要为地面冲洗水、吸收槽废水、水环真空泵定期排出的污水。主要成分是微量的氢氰酸、微量硫酸、微量MMA、微量丙酮等，必须送污水处理厂处理，根据污水组成采用增强聚丙烯（FRPP）管，FRPP管在-20-120℃温度范围内能输送酸、碱和盐类等腐蚀介质，而且能耐丙酮的溶解。 4.3 结语 甲基丙烯酸甲酯装置中不仅有易燃易爆介质、有毒介质、酸、碱腐蚀等介质，而且存在爆聚的可能性，所以该装置工艺设计的每一个环节都需全面考虑。特别是设备及管道材质的选择在装置的设计中是最关键的。 第5章 主反应釜设计 5.1 混合釜设计 5.1.1 已知条件 ①工作压力：釜内≥0.05MPa，夹套≤0.25MPa ②工作温度：釜内≤75℃，夹套≤110℃ ③介 质：釜内为溶液，夹套内为水蒸气，中度腐蚀 ④全容积 ：20m3 ⑤传热面积：3.41m2 5.1.2 筒体和夹套的设计 （1）确定筒体的直径和高度 反应釜容积为20m³ 对气-液相类型选取H/Di=1.4，估算筒体的内径 Di=｛4V/[π·(H/Di)]｝1/3=（4×20/3.14×1.4）1/3=2.63m 将计算结果圆整至公称直径标准系列[]，选取筒体内径Di=2800mm,查手册,Dg=2800mm标准椭圆封头曲面高度h1=740mm,直边高度h2=40 mm, 封头容积Vh=3.12m3，表面积Fh=8.85m2。由手册查得，每一米高的筒体容积V1=6.16 m3，表面积F1=8.80㎡ H=(V-Vh)/V1=(20-3.12)/6.16=2.74 筒体高度圆整为H=2800mm （2）确定夹套的直径和高度 对于筒体内径Di＝2800mm,夹套的内径Dj=Di+200, 因此Dj=2800+200=3000mm，符合压力容器公称直径。 估算夹套的高度Hj=(ηV-Vh)/ V1=4 (V0- Vh )/( π·Di2) =4(22×0.85-3.12)/(3.14×2.82)=2.53m 选取夹套高度Hj=2500mm，则H0≈H-Hj=300mm，这样是便于筒体法兰螺栓装拆。 验算夹套传热面积 F=F1Hj+Fh=8.80×2.8＋8.85=33.49m2 （3）确定夹套的材料和壁厚[] 选用Q235-A为夹套材料，查手册对板厚为4.5-16mm时，得Q235-A设计温度为150℃的许用应力[σ]t=113MPa，夹套加热蒸汽系统装有安全阀，选取夹套设计压力P=1.1Pw,即P=0.72MPa。夹套筒体与内筒的环焊缝因无法双面焊和作相应的探伤检查，从安全考虑，夹套上所有焊缝均取焊缝系数Ф=0.85，取壁厚附加量中的钢板厚度负偏差C1=0.6mm，单面腐蚀取腐蚀裕量C2=1mm. 夹套的壁厚为： δd=PDj/(2[σ]tФ-P)+C=0.72×3000/(2×113×0.85-0.72)+1.6=12.89mm 标准椭圆封头的壁厚附加量也只考虑C1 和C2，加工成型的减薄量由制造厂根据加工条件来确定，以保证壁厚符合图纸数值，设计计算时可不作考虑，取C1=0.6mm，C2=1mm,标准椭圆形夹套封头的壁厚为： δd=PDj/(2[σ]tФ-P)+C=0.72×3000/(2×113×0.85-0.72)+1.6=12.89mm 圆整至钢板规格厚度并查阅封头标准，选取夹套的筒体和封头的壁厚均为δn=13mm。 （4）确定内筒的材料及壁厚 酯化釜选择材料为搪瓷釜，筒体受内压取设计压力为P=0.10MPa，设计温度为75℃，参考前面计算夹套壁厚结果，可知按强度计算内筒的壁厚约8mm，而筒体又受外压作用，按设计外压P= 0.72MPa，所得壁厚必大于内压设计的壁厚，则按外压稳定设计的壁厚，一定能满足内压强度的要求，可不再作内压设计。 考虑到内筒筒体按外压设计，搪瓷釜受单面腐蚀作用，可初选筒体壁厚δn=13mm,并取C1=0.8mm,C2=1mm,筒体有效壁厚δe=δn-C=11.2mm, D0/δe=(2800+13×2)/11.2=252.32 内筒受外压作用的计算长度L为被夹套包围的筒体部分加凸型封头高的1/3 L≈Hj+h2+h1/3=3000+40+740/3=3287mm L/D0=3287/2800=1.17 查文献[8]图9-7，由D0/δe=252.32 和L/ D0=1.17查得系数A=8.0×10-4；再查文献[ ]图9-8，由系数A查得系数B= 100MPa。 筒体的许用外压为 [P]=B/( D0/δe)=100/252.32=0.4MPa＞P=0.3MPa 因为[P]＞P，且比较接近，所以取筒体δn=13mm，此时外压稳定和内压强度均能满足要求。 选取筒体下封头壁厚δn=13mm，壁厚附加量中C1=0.8mm, C2=1mm，所以筒体下封头的有效壁厚δe=δn-C=13-1.8=11.2mm；标准椭圆形封头的外压计算当量球面半径Ri=KDi=0.9×2800=2520mm，计算系数A为 A=0.125/(Ri/δe)=0.125/(2520/11.2)=5.56×10-4 查文献[8]图9-8，由系数A查得系数B＝170 MPa，许用外压为 [P]=B/( Ri/δe)=170/(2520/11.2)=0.76MPa＞P=0.3MPa 取筒体下封头壁厚δn=13mm，符合外压稳定和内压强度要求。 (5) 水压试验及其强度校核 内筒体水压试验压力由PT =P+0.1=0.20MPa，PT=1.25P=0.125MPa,取二者中较大值，取PT=0.2MPa；夹套水压试验压力由PT =P+0.1=0.82 MPa，PT =1.25P=0.9 MPa取夹套水压试验PTj =0.9MPa。 内筒水压试验时壁内应力 σT =PT[Di +(δn-C)]/[2(δn-C)Ф] =0.2[2800+(13-1.8)]/[2(13-1.8)×0.85]=29.53 MPa σTf =PT[KDi +0.5(δn-C)]/[2(δn-C)Ф] =0.2[0.9×2800+0.5×(13-1.8)]/[2(13-1.8)×0.85] =26.53 MPa 夹套水压试验是壁内应力 σTj=PTj[Di +(δn-C)]/[2(δn-C)Ф] =0.9[3000+(8-1.6)]/[2(8-1.6)×0.85]=248.69MPa σTjf=PTjf[KDj +0.5(δn-C)]/[2(δn-C)Ф] =0.9[0.9×3000+0.5×(8-1.6)/ [2(8-1.6)×0.85] =223.61MPa 因搪瓷在常温时σS=1000MPa 0.9σS=0.9×1000MPa=900MPa 可见水压试验时内筒、夹套壁内应力都小于0.9σS，水压试验安全 5.1.3　反应釜的附属装置 根据工艺条件要求，查手册，选取搅拌器外径2500mm，搅拌轴直径d=35mm 的框式搅拌器。选择搅拌轴材料为45钢，查手册45钢的许用扭应力 [σ]=30-40 MPa,计算系数A=118-107,则搅拌轴的直径为 d=A(P/n) 1/3=(118-107)×(1.4/50) 1/3=(35.8-32.5)mm 考虑物料对轴的腐蚀作用，根据手册，选取搅拌轴的直径为35mm。 选用釜用立式减速机，按照搅拌功率，查手册,选电动Y180M-2,额定功率为22kw,转速为3000r/min,符合搅拌要求。 5. 2 酯化反应釜设计 5.2.1 设备设计条件 ①工作压力：釜内≥0.085MPa，夹套≤0.65MPa ②工作温度：釜内75-100℃，夹套≤150℃ ③介 质：釜内为溶液，夹套内为水蒸气，中度腐蚀 ④全容积 ：22m³ 5.2.2 筒体和夹套的设计 （1）确定筒体的直径和高度 设备容积为22m³ 对液相类型选型长径比H/Di=1.4。 估算筒体的内径： Di=｛4V/[π·(H/Di)]｝1/3=[(4×22)/(3.14×1.4)]1/3=2.72m 计算结果圆整至公称直径标准系列，选取筒体内径Di=2800mm,册,Dg=2800mm标准椭圆封头曲面高度h1=740mm,直边高度h2=40 mm, 封头容积Vh=3.12m3，表面积Fh=8.85m2。由手册查得，每一米高的筒体容积V1=6.158m3，表面积F1=8.80m2 H=(V-Vh)/ V1=(22-3.12)/6.158=3.07m 筒体高度圆整为H=3100mm （2）确定夹套的直径和高度 对于筒体内径Di＝2800mm,夹套的内径Dj=Di+200, 因此Dj=2800+200=3000mm，符合压力容器公称直径。 估算夹套的高度Hj=(ηV-Vh)/ V1=4 (V0- Vh )/( π·Di2) =4(22×0.85-3.12)/(3.14×2.82)=2.53m 选取夹套高度Hj=2600mm，则H0≈H-Hj=500mm，这样是便于筒体法兰螺栓装拆。 验算夹套传热面积 F=F1Hj+Fh=8.80×2.8＋8.85=33.49m2 （3）确定夹套的材料和壁厚[] 选用Q235-A为夹套材料，查手册对板厚为4.5-16mm时，得Q235-A设计温度为150℃的许用应力[σ]t=113MPa，夹套加热蒸汽系统装有安全阀，选取夹套设计压力P=1.1Pw,即P=0.72MPa。夹套筒体与内筒的环焊缝因无法双面焊和作相应的探伤检查，从安全考虑，夹套上所有焊缝均取焊缝系数Ф=0.85，取壁厚附加量中的钢板厚度负偏差C1=0.6mm，单面腐蚀取腐蚀裕量C2=1mm. 夹套的壁厚为： δd=PDj/(2[σ]tФ-P)+C=0.72×3000/(2×113×0.85-0.72)+1.6=12.89mm 标准椭圆封头的壁厚附加量也只考虑C1 和C2，加工成型的减薄量由制造厂根据加工条件来确定，以保证壁厚符合图纸数值，设计计算时可不作考虑，取C1=0.6mm，C2=1mm,标准椭圆形夹套封头的壁厚为： δd=PDj/(2[σ]tФ-P)+C=0.72×3000/(2×113×0.85-0.72)+1.6=12.89mm 圆整至钢板规格厚度并查阅封头标准，选取夹套的筒体和封头的壁厚均为δn=13mm。 （4）确定内筒的材料及壁厚 酯化釜选择材料为搪瓷釜，筒体受内压取设计压力为P=0.10MPa，设计温度为75℃，参考前面计算夹套壁厚结果，可知按强度计算内筒的壁厚约8mm，而筒体又受外压作用，按设计外压P= 0.72MPa，所得壁厚必大于内压设计的壁厚，则按外压稳定设计的壁厚，一定能满足内压强度的要求，可不再作内压设计。 考虑到内筒筒体按外压设计，搪瓷釜受单面腐蚀作用，可初选筒体壁厚δn=13mm,并取C1=0.8mm,C2=1mm,筒体有效壁厚δe=δn-C=11.2mm, D0/δe=(2800+13×2)/11.2=252.32 内筒受外压作用的计算长度L为被夹套包围的筒体部分加凸型封头高的1/3 L≈Hj+h2+h1/3=3000+40+740/3=3287mm L/D0=3287/2800=1.17 查文献[8]图9-7，由D0/δe=252.32 和L/ D0=1.17查得系数A=8.0×10-4；再查文献[ ]图9-8，由系数A查得系数B= 100MPa。 筒体的许用外压为 [P]=B/( D0/δe)=100/252.32=0.4MPa＞P=0.3MPa 因为[P]＞P，且比较接近，所以取筒体δn=13mm，此时外压稳定和内压强度均能满足要求。 选取筒体下封头壁厚δn=13mm，壁厚附加量中C1=0.8mm, C2=1mm，所以筒体下封头的有效壁厚δe=δn-C=13-1.8=11.2mm；标准椭圆形封头的外压计算当量球面半径Ri=KDi=0.9×2800=2520mm，计算系数A为 A=0.125/(Ri/δe)=0.125/(2520/11.2)=5.56×10-4 查文献[8]图9-8，由系数A查得系数B＝170 MPa，许用外压为 [P]=B/( Ri/δe)=170/(2520/11.2)=0.76MPa＞P=0.3MPa 取筒体下封头壁厚δn=13mm，符合外压稳定和内压强度要求。 (5) 水压试验及其强度校核 内筒体水压试验压力由PT =P+0.1=0.20MPa，PT=1.25P=0.125MPa,取二者中较大值，取PT=0.2MPa；夹套水压试验压力由PT =P+0.1=0.82 MPa，PT =1.25P=0.9 MPa取夹套水压试验PTj =0.9MPa。 内筒水压试验时壁内应力 σT =PT[Di +(δn-C)]/[2(δn-C)Ф] =0.2[2800+(13-1.8)]/[2(13-1.8)×0.85]=29.53 MPa σTf =PT[KDi +0.5(δn-C)]/[2(δn-C)Ф] =0.2[0.9×2800+0.5×(13-1.8)]/[2(13-1.8)×0.85] =26.53 MPa 夹套水压试验是壁内应力 σTj=PTj[Di +(δn-C)]/[2(δn-C)Ф] =0.9[3000+(8-1.6)]/[2(8-1.6)×0.85]=248.69MPa σTjf=PTjf[KDj +0.5(δn-C)]/[2(δn-C)Ф] =0.9[0.9×3000+0.5×(8-1.6)/ [2(8-1.6)×0.85] =223.61MPa 因搪瓷在常温时σS=1000MPa 0.9σS=0.9×1000MPa=900MPa 可见水压试验时内筒、夹套壁内应力都小于0.9σS，水压试验安全 第6章 车间布局设计 6.1 车间主要设备 车间主要设备有：混合反应釜（1台），酰胺反应釜（1台），酯化反应釜（1台），其他有酯化蒸发釜、中和反应器、中和液分层器、水洗分离器各一台。 6.2 车间布局设计 6.2.1 厂房的整体布局设计 甲基丙烯酸甲酯装置区东侧为丙烯腈装置，西侧为甲基丙烯酸甲酯储存装置，北侧为预留空地，南侧为甲基丙烯酸甲酯车间办公楼和配电房。 甲基丙烯酸甲酯装置区为敞开式钢框架结构，属甲类火灾爆炸危险场所，耐火等级二级。甲基丙烯酸甲酯车间办公楼（含中控室）布置在装置区的北面，建筑面积约1075m2，二层钢筋混凝土框架结构，危险类别为丙类，耐火等级为二级。各建筑物间距符合要求，布局合理。 6.2.2 车间的设备布置设计 合成车间：长度为100 m，宽度为60m，呈长方形，3层，楼层标高5.00m，15.5m。 车间设备采用流程式布置，较前的生产工序在上，较后的在下，尽量利用高低位差，使物料采用重力输送，降低能耗和人力。 车间设备布置如下： 平面主要设置有酯化釜、罐区等，二楼主要设置有酰胺反应釜，三楼主要设置有混合釜等。 结论和展望 （1）市场分析表明，MMA、PMMA模塑料和板材产品在我国市场需求增长迅速，具有广阔的市场前景。 （2）MMA及其下游PMMA是资金密集型产品，项目投资较大，对企业的资金实力有较高的要求。MMA和PMMA同时又是技密集型产品，PMMA模塑料属于高新技术改造的传统材料，为适应LCD等市场的需求，要求的专利技术和配方更为严格。如果企业缺乏产品开发手段，科研投入不沟，就难以根据市场需求开发出新的配方产品。 （3）目前世界已经工业化的正在运行的MMA生产技术主要包括丙酮氰醇法（ACH法）、异丁烯法（包括传统i-C4法、叔丁醇法和ASAHI法）、乙烯法（BASF法）和改进丙酮氰醇法（MGC法），MMA建设的合理经济规模在4万tPa以上。根据国外已发表的资料，中等规模装置（4万-6万tPa）的投资异丁烯法要低于丙酮氰醇法，经济效益较好；而丙酮氰醇法的优势在较大规模的装置（10万tPa以上）将显现出来，其单位投资将明显降低，具有较强的竞争力，但这将受到原料氢氰酸来源的限制。 （4）在我国建设MMA装置究竟选择丙酮氰醇法还是异丁烯法，必须根据市场情况考虑装置的规模效应，找到原料、市场和投资的最佳结合点。在国内建设装置如采用丙酮氰醇法应与丙烯腈装置同时建设，降低原料成本，同时应达到一定的生产规模。 （5）异丁烯法技术成熟可靠，原料异丁醇或异丁烯易得，生产过程较简单，成本低，具有一定的竞争力，在东亚和东南亚地区应用广泛。该技术传统上由日韩企业掌握，大多数公司可以直接转让技术。国内的中国石油兰州石化研究院也宣称和中科院过程研究所合作开发裂解四碳综合利用制MMA生产工艺成功，形成了具有自主知识产权的创新技术［］。 致 谢 时光荏苒，转眼间四年的大学生活即将结束了。回首大学四年的岁月，心中感触很多，一些说不出的不舍和感激涌上心头，我们总是急急忙忙想要长大，可一切真正来临时，我们却因为有太多不舍而显得手足无措。当我写完这篇毕业论文的时候，有一种如释重负和难以割舍的感觉。 首先真诚的感谢我的指导老师，他在忙碌的教学工作中挤出时间来审查，修改我的论文。还有教过我的所有老师们，你们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。 感谢四年中陪伴在我身边的同学，朋友，感谢他们为我提出的有益的建议和意见，有了他们的支持、鼓励和帮助，我才能充实的度过了四年的学习生活。 本论文是在老师的悉心指导下完成的，导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己，宽以待人的崇高风范，朴实无华，平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物和为人处事的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在指导老师的指导下完成的，倾注了老师大量的心血。 在此，谨向老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在此，感谢老师的指导和帮助，没有他们的帮助和支持是没有办法完成我的毕业论文的。另外，陪伴我一起成长的同窗们，愿友谊长存！ 作者：XXX 2012.05.15 参考文献 [1] 薛祖源.丙烯酸（酯）生产工艺技术评析和今后发展意见（上/下）［J］.上海化工，2006，31（3/4）：40-44. 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